KR20120133655A - 전지 카세트 및 이를 포함하는 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 자동차 등에 사용되는 중대형 이차 전지용 전지 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전도에 의한 방열 효과와 대류에 의한 방열 효과에 의하여 효과적인 방열 효과를 나타내는 새로운 개념의 전지 카세트 및 이를 포함하는 모듈에 관한 것이다.

Description

전지 카세트 및 이를 포함하는 전지 모듈{BATTERY CASSETTE AND BATTERY MODULE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 전기 자동차 등에 사용되는 중대형 이차 전지용 전지 카세트 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전도에 의한 방열 효과와 대류에 의한 방열 효과에 의하여 효과적인 방열 효과를 나타내는 새로운 개념의 전지 카세트 및 이를 포함하는 모듈에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다.

또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다. 중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고, 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위 전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장 부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조 비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.

중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다.

예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 적층된 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.

그러나, 이러한 구조는 다수의 전지셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 전지모듈의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다.

또한, 전지모듈의 크기를 고려하여, 많은 전지셀들을 적층할수록 상대적으로 좁은 간격의 냉매 유로들을 형성하게 되는데, 이로 인해 냉각 구조의 설계가 복잡해지는 문제점이 발생한다. 즉, 냉매의 유입구 대비 상대적으로 좁은 간격의 냉매 유로는 높은 압력 손실을 유발하게 되어, 냉매의 유입구 및 배출구의 형태와 위치등을 설계하는데 많은 어려움이 따른다. 또한, 이러한 압력 손실을 방지하기 위하여 팬이 추가적으로 설치되기도 하므로, 전력 소모와 팬 소음, 공간 등과 같이 설계상의 제약이 따를 수 있다.

뿐만 아니라, 전지셀 적층체 중간에 위치하는 전지셀의 경우, 냉각이 제대로 이루어지지 않을 경우, 최외측 전지셀에 비해 열화가 빨리 진행될 수 있다. 이러한 전지셀들의 균일하지 못한 열화 속도는 전체 전지 모듈의 수명 저하를 초래하고, 안전성 측면에서도 바람직하지 못하다.

따라서, 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 간단하고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있고, 수명 특성과 안전성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 방열 효과 및 수명 특성과 안전성이 우수한 새로운 개념의 전지 카세트 및 이를 포함하는 전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여

대향하는 한 쌍의 면에 한 쌍의 전극 단자를 갖고, 적층되는 2개의 전지셀;

상기 2개의 전지셀 사이에 적층되고,

상기 전지셀의 가장 자리를 둘러싸고, 중앙부가 개방된 형태의 전지셀 주변부; 및 상기 전극 단자를 둘러싸는 전극단자 주변부로 구성되는 방열 프레임; 및

마주보는 양면이 개방되는 육면체 형상이고, 상기 방열 프레임을 사이에 두고 적층되는 2개의 전지셀의 전극 단자가 상기 개방된 양면으로 돌출되면서 끼워져 내장되는 하우징부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 전지 카세트를 제공한다.

본 발명의 전지 카세트에 있어서, 상기 전지 카세트는 상기 방열 프레임을 사이에 두고 적층된 상기 2개의 전지셀의 단자를 연결시키는 전극 단자 연결부;와 상기 전극 단자 연결부 및 상기 방열 프레임의 전극 단자 주변부를 감싸면서 상기 방열 프레임의 전극 단자 주변부가 삽입되는 전극 단자 주변부 삽입부를 포함하고, 상기 전극단자가 돌출되는 부분에서 상기 하우징부와 연결되는 전극 단자 보호부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전지 카세트에 있어서, 상기 방열 프레임은 내부에 냉매 통로를 갖추고 있으며, 상기 전극단자주변부는 상기 냉매 통로로 냉매를 유입하는 냉매 유입구와 상기 냉매 통로에서 냉매를 유출하는 냉매 유출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전지 카세트에 있어서, 상기 방열 프레임은 상기 전지셀 주변부의 개방된 중앙부에 상기 전지셀 주변부를 연결시키면서, 냉매가 흐르는 중앙 통로부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전지 카세트에 있어서, 상기 중앙 통로부의 높이 d1 은 상기 중앙 통로부가 연결시키는 상기 전지셀 주변부의 높이 d2 와 다음 관계식을 만족시키는 것을 특징으로 한다.

0.2 ×d2 ≤ d1 ≤ 0.3 ×d2

본 발명의 전지 카세트에 있어서, 상기 2개의 전지셀은 상기 전극단자 연결부에서 전극 단자들이 병렬로 연결되도록 적층되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전지 카세트에 있어서, 상기 하우징부와 상기 방열 프레임의 접촉부에는 상호 결합을 용이하게 하기 위한 가이드부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전지 카세트에 있어서, 상기 방열 프레임은 열전도성 판재, 또는 금속 판재인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전지 카세트에 있어서, 상기 전극 단자 보호부는 관통공을 통해서 전극 단자 연결부가 삽입되며, 절연성 소재로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한, 본 발명에 의한 상기 전지 카세트를 복수개 포함하는 전지 모듈을 제공한다.

본 발명의 전지 카세트는 방열 부재를 사이에 두고 적층된 단위 전지들이 방열 기능을 가진 하우징부에 내장되어, 열 전도 및 대류에 의한 열전달이 동시에 작용함으로써 간단하면서도 우수한 방열 효과를 나타내어 결과적으로 전지 모듈의 수명 및 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 구조를 바탕으로 한 전지 카세트를 복수개를 적층하여 포함하는 중대형 전지모듈의 경우 전지 카세트 각각의 방열 구조를 서로 연계함으로써 전체적인 냉각 시스템을 용이하게 구성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 카세트의 분해사시도이다.
도 2는 전극 단자 연결부의 연결 형태를 나타낸다.
도 3은 도 1에 나타낸 전지 카세트가 결합된 상태를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 카세트의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 카세트의 분해사시도이다.
도 6은 도 5에 나타낸 전지 카세트가 결합된 상태를 나타낸다.
도 7은 방열 프레임 내에서 냉매의 흐름을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 방열 프레임을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 방열 프레임에서의 냉매의 흐름을 나타낸다.
도 10 내지 도 14는 본 발명의 전지 카세트를 적층한 모듈을 나타내는 모식도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 카세트의 분해 사시도를 나타내었다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 전지 카세트(10)는 활물질부(60)로부터 양 방향으로 돌출된 전극(61, 62)을 포함하는 전지셀을 포함하며, 이러한 전지셀 두개가 방열프레임(20)을 사이에 두고 적층된다. 상기 방열 프레임은 중앙부가 개방된 형상으로 전지셀의 가장 자리를 둘러싸는 전지셀 주변부(21)와 전극의 양측을 둘러싸는 전극 단자 주변부(22)로 구성된다. 상기 방열 프레임(20)은 전지셀의 활물질부와 접하는 내부 부분이 개방된 형상으로 되어 있고, 전극 단자의 측면에 전극 단자 주변부(22)가 배치됨으로써 열 발생이 많은 전지셀의 가장 자리와 전극 단자 부분을 효과적으로 방열하게 된다.

상기 방열 프레임(20)을 사이에 두고 적층된 전지셀의 전극 단자들은 전극 단자 연결부(30)에 끼워져 연결된다. 상기 전극 단자 연결부는 상기 적층된 전지셀의 전극 단자를 끼움 방식으로 상호 연결한다. 도 2에 전극 단자가 서로 같은 극끼리 병렬로 연결되는 형상을 나타내었다. 도 2에서 보는 바와 같이 같은 방향으로 병렬로 적층된 전극 단자가 전극 단자 연결부에 끼워져 연결되어 상기 전극 단자 연결부가 전극을 나타내게 된다.

전극 단자 연결부에 의하여 전극 단자가 연결된 전지셀은 하우징부(40)에 끼워져 내장된다. 상기 하우징부는 열전도성 판재로 구성되어 전지셀 전체를 한번 더 방열하는 효과를 나타내게 한다.

이후 상기 하우징부(40)의 개방된 전극단자부(30)를 감싸면서 전극 단자 보호부(50)가 상기 하우징부(40)와 연결된다. 상기 전극단자보호부(50)는 상기 전극단자 연결부와 상기 방열 프레임의 전극 단자 주변부를 외부로 노출하면서 보호하기 위해 관통된 홀 형상의 전극단자 삽입부(51)와 방열부재 삽입구(52)를 포함한다.

도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 카세트 모듈이 결합한 상태를 나타내었다. 도 3에서 하우징부(40)의 양 끝단이 전극단자 보호부(50)와 연결되며, 상기 전극 단자 보호부를 통해서 일정 전극을 나타내는 전극단자 연결부(30)와 상기 방열 프레임으로부터 연장된 전극 단자 주변부(22)가 전지 카세트 외부로 노출되게 된다.

상기 하우징부와 상기 방열 프레임에는 상호 결합을 용이하게 하기 위한 가이드부가 더 포함될 수 있다. 도 4에 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 나타내었다. 도 4에서 보는 바와 같이 상기 하우징부와 상기 방열 프레임의 접촉부에는 상호 결합을 용이하게 하기 위한 가이드부(41, 23)가 더 포함될 수 있다. 상기 가이드부는 상기 하우징부와 상기 방열 프레임의 상호 결합을 용이하게 할 뿐만 아니라, 전지셀을 고정시키는 효과도 나타낸다.

도 5, 도 6에는 방열 프레임이 냉매 통로를 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 카세트 모듈의 분해 사시도 및 결합된 상태를 나타내었다. 도 5에서 방열프레임(200)은 내부에 냉매 통로를 포함하며, 상기 방열 프레임의 전극 단자 주변부에는 냉매 통로로 냉매를 유입, 유출하는 냉매 유출입구(240)가 포함되어 있다. 본 발명에 있어서, 상기 냉매 유출입구(240)는 모듈 전체 구조에 따라 냉매 유입구와 냉매 유출구가 적절히 선택될 수 있다. 도 6에서 보는 바와 같이 일측의 한쪽은 냉매유입구, 다른 한쪽은 냉매 유출구로 하거나, 일측의 양쪽 모두를 냉매 유입구로 하고, 다른 쪽은 냉매 유출구로 하는 것이 가능하다.

도 7에는 상기 도 5의 방열 프레임(200)에서의 냉매의 흐름을 나타내었다. 상기 냉매 유출입구(240)를 통해 방열 프레임 내부로 냉매를 순환시킬 수 있으며, 이로 인해 방열 프레임 자체의 전도에 의한 열전달 효과와 방열프레임의 전극단자주변부에 포함되는 냉매 유출입구를 통해서 내부로 냉매가 순환하면서 나타나는 대류에 의한 열전달 효과에 의해 모듈 전체적으로 효과적인 열전달 및 방열 효과를 나타내게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 방열 프레임은 상기 전지셀 주변부의 개방된 중앙부에 상기 전지셀 주변부를 연결시키면서, 냉매가 흐르는 중앙 통로부를 더 포함하는 것이 가능하다. 상기 방열 프레임이 중앙 통로부(350)를 더 포함하는 경우의 사시도를 도 8에, 상기 도 8의 AA 단면의 형상을 도 9, 상기 방열 프레임에서의 냉매의 흐름을 도 10에 나타내었다.

도 9에서 보는 바와 같이 상기 중앙 통로부(350)의 높이 d1 은 상기 중앙 통로부가 연결시키는 상기 전지셀 주변부(310)의 높이 d2 와 다음 관계식을 만족시키는 것이 바람직하다.

0.2 ×d2 ≤ d1 ≤ 0.3 ×d2

상기 중앙 통로부(350)의 높이 d1 과 상기 중앙 통로부가 연결시키는 상기 전지셀 주변부(310)의 높이 d2 가 상기 관계식을 만족시킬 때, 상기 전지셀 주변부의 높이 d2 와 상기 중앙 통로부의 높이 d1 의 높이 차이에서 오는 모세관 현상에 의하여 도 10에서와 같이 상기 방열 프레임에서 냉매가 더욱 효과적으로 순환할 수 있게 되고, 결과적으로 전지 전체의 방열 효과가 높아지게 된다.

본 발명에 의한 전지 카세트 모듈은 복수개가 병렬 또는 직렬로 적층되어 하나의 단위 모듈을 구성하는 것이 가능하다. 상기 모듈을 구성하는 방식 및 모듈간 연결 방식은 원하는 용량을 얻기 위해 당업자가 자유로이 선택할 수 있음은 당연하다고 할 것이다.

도 11에는 본 발명에 의한 전지 카세트 6 개가 모두 병렬로 적층된 모듈을 모식적으로 나타내었다. 본 발명에 의한 전지 카세트 전극을 같은 전극이 나란히 오도록 적층한 후, 모듈 내의 카세트의 전극을 모두 연결하여 병렬 연결한 구조로 이루어져 있다.

상기 본 발명의 전지 카세트는 복수개 직렬로 연결함으로써 원하는 용량을 얻는 것이 가능하다. 도 12에는 본 발명에 의한 전지 카세트 6 개를 카세트간 직렬 연결하는 방식을 나타내었다.

카세트는 1개씩 직렬 연결되는 방식 외에도 복수개의 카세트로 만들어지는 모듈을 복수개 직렬로 연결하는 방식을 적용하는 것도 가능하다. 도 13 에서는 본 발명에 의한 전지 카세트 6개가 모두 병렬 연결된 모듈을 2개 직렬 연결한 상태를 나타내었다.

도 14에서는 본 발명에 의한 전지 카세트 3개가 모두 병렬 연결된 3개의 모듈을 직렬 연결하는 방식을 나타내었다.

Claims (10)

1. 대향하는 한 쌍의 면에 한 쌍의 전극 단자를 갖고, 적층되는 2개의 전지셀;
   상기 2개의 전지셀 사이에 적층되고,
   상기 전지셀의 가장 자리를 둘러싸고, 중앙부가 개방된 형태의 전지셀 주변부; 및 상기 전극 단자를 둘러싸는 전극단자 주변부로 구성되는 방열 프레임; 및
   마주보는 양면이 개방되는 육면체 형상이고, 상기 방열 프레임을 사이에 두고 적층되는 2개의 전지셀의 전극 단자가 상기 개방된 양면으로 돌출되면서 끼워져 내장되는 하우징부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 전지 카세트.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전지 카세트는 상기 방열 프레임을 사이에 두고 적층된 상기 2개의 전지셀의 단자를 연결시키는 전극 단자 연결부;와
   상기 전극 단자 연결부 및 상기 방열 프레임의 전극 단자 주변부를 감싸면서 상기 방열 프레임의 전극 단자 주변부가 삽입되는 전극 단자 주변부 삽입부를 포함하고, 상기 전극단자가 돌출되는 부분에서 상기 하우징부와 연결되는 전극 단자 보호부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 카세트.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 방열 프레임은 내부에 냉매 통로를 포함하고, 상기 전극단자 주변부에 상기 냉매 통로로 냉매를 유입하는 냉매 유입구와 상기 냉매 통로에서 냉매를 유출하는 냉매 유출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 카세트.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 방열 프레임은 상기 전지셀 주변부의 개방된 중앙부에 상기 전지셀 주변부를 연결시키면서, 냉매가 흐르는 중앙 통로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 카세트.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 중앙 통로부의 높이 d1 은 상기 중앙 통로부가 연결시키는 상기 전지셀 주변부의 높이 d2 와 다음 관계식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 전지 카세트.
   0.2 ×d2 ≤ d1 ≤ 0.3 ×d2
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 2개의 전지셀은 상기 전극단자 연결부에서 상기 전극 단자들이 병렬로 연결되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 전지 카세트.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징부와 상기 방열 프레임의 접촉부에는 상호 결합을 용이하게 하기 위한 가이드부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 카세트.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 방열 프레임은 열전도성의 판재 또는 금속 판재인 것을 특징으로 하는 전지 카세트.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 전극 단자 보호부는 절연성 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 전지 카세트.
   
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 전지 카세트를 복수개 적층시킨 전지 모듈.

Images